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JP2012142101A - Lithium sulfur battery and method for manufacturing lithium sulfur battery - Google Patents

Lithium sulfur battery and method for manufacturing lithium sulfur battery Download PDF

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JP2012142101A
JP2012142101A JP2010292188A JP2010292188A JP2012142101A JP 2012142101 A JP2012142101 A JP 2012142101A JP 2010292188 A JP2010292188 A JP 2010292188A JP 2010292188 A JP2010292188 A JP 2010292188A JP 2012142101 A JP2012142101 A JP 2012142101A
Authority
JP
Japan
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lithium
negative electrode
positive electrode
battery
sulfur
Prior art date
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Pending
Application number
JP2010292188A
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Japanese (ja)
Inventor
Takuya Kawashima
卓也 川島
Jiro Sakata
二郎 坂田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Central R&D Labs Inc
Priority to JP2010292188A priority Critical patent/JP2012142101A/en
Publication of JP2012142101A publication Critical patent/JP2012142101A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium sulfur battery capable of further improving charge/discharge efficiency, and a manufacturing method thereof.SOLUTION: A coin type battery 20 comprises a cup-shaped battery case 21, a negative electrode 22 provided inside the battery case 21, a positive electrode 23 provided at a position opposed to the negative electrode 22 via a separator 24, a nonaqueous electrolyte 27 containing a supporting salt, a gasket 25 formed of an insulation material, and a hole sealing plate 26 provided at an opening of the battery case 21 and sealing the battery case 21 via the gasket 25. Here, the negative electrode 22 has a negative electrode active material containing a lithium base material, on which a lithium carboxylate film is formed. The positive electrode 23 has a positive electrode active material containing sulfur.

Description

本発明は、リチウム硫黄電池およびリチウム硫黄電池の製造方法に関する。   The present invention relates to a lithium-sulfur battery and a method for producing a lithium-sulfur battery.

従来、硫黄を正極活物質として使用する硫黄電池が知られている。硫黄は1672mAh/gという極めて高い理論容量密度を有するものであり、高容量電池として期待されている。しかし、電解液系の硫黄電池では、充放電時等に硫黄分子やポリ硫化物イオンなどが電解液中へ溶解して拡散し、これが負極金属と反応して自己放電を生じたり負極を劣化させることで、電池の容量や充放電効率(クーロン効率)を劣化させることがあった。   Conventionally, sulfur batteries using sulfur as a positive electrode active material are known. Sulfur has an extremely high theoretical capacity density of 1672 mAh / g and is expected as a high capacity battery. However, in electrolyte-based sulfur batteries, sulfur molecules, polysulfide ions, etc. dissolve and diffuse into the electrolyte during charge / discharge, etc., and this reacts with the anode metal to cause self-discharge or deteriorate the anode. As a result, the battery capacity and charge / discharge efficiency (Coulomb efficiency) may be deteriorated.

そこで、例えば、電気活性硫黄材料を含むカソードと、リチウムを含むアノードと、非水性電解質であって、非環式エーテル、環式エーテル、ポリエーテル、およびスルホンからなる群より選択される一種以上の非水性溶媒と、一種以上のリチウム塩と、一種以上のN−O添加剤を含むものとを備えた電気化学セルが提案されている(特許文献1参照)。この電気化学セルでは、低自己放電率、高カソード利用率、高充電−放電効率、高比容量のいずれかを示すとされている。   Thus, for example, a cathode containing an electroactive sulfur material, an anode containing lithium, a non-aqueous electrolyte, and one or more selected from the group consisting of acyclic ethers, cyclic ethers, polyethers, and sulfones An electrochemical cell having a non-aqueous solvent, one or more lithium salts, and one containing one or more N—O additives has been proposed (see Patent Document 1). This electrochemical cell is said to exhibit any of a low self-discharge rate, a high cathode utilization rate, a high charge-discharge efficiency, and a high specific capacity.

特表2007−518229号公報Special table 2007-518229 gazette

しかしながら、特許文献1に記載のものでは、非水性電解質中に拡散したポリ硫化物イオンがN−O添加剤により酸化されるなどして、活物質として電池反応に寄与し得る硫黄量が減少することがあった。これにより、充放電効率が低下することがあり、充放電効率をより高めることが望まれていた。   However, in the thing of patent document 1, when the polysulfide ion diffused in the non-aqueous electrolyte is oxidized by the N—O additive, the amount of sulfur that can contribute to the battery reaction as an active material decreases. There was a thing. Thereby, charging / discharging efficiency may fall and it was desired to improve charging / discharging efficiency more.

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、充放電効率をより高めることができるリチウム硫黄電池及びリチウム硫黄電池の製造方法を提供することを主目的とする。   This invention is made | formed in order to solve such a subject, and it aims at providing the manufacturing method of the lithium sulfur battery which can improve charge / discharge efficiency more, and a lithium sulfur battery.

上述した目的を達成するために、本発明者らは、カルボン酸リチウム被膜を形成したリチウム系材料を負極材に用いてリチウム硫黄電池を作製したところ、充放電効率をより高めることができることを見いだし、本発明を完成するに至った   In order to achieve the above-mentioned object, the present inventors have found that when a lithium-sulfur battery is produced using a lithium-based material on which a lithium carboxylate film is formed as a negative electrode material, the charge / discharge efficiency can be further increased. Has led to the completion of the present invention

即ち、本発明のリチウム硫黄電池は、
硫黄を含む正極活物質を有する正極と、
カルボン酸リチウム被膜が形成されたリチウム系材料を含む負極活物質を有する負極と、
前記正極と前記負極との間に介在するイオン伝導媒体と、
を備えたものである。
That is, the lithium sulfur battery of the present invention is
A positive electrode having a positive electrode active material containing sulfur;
A negative electrode having a negative electrode active material including a lithium-based material on which a lithium carboxylate film is formed;
An ion conductive medium interposed between the positive electrode and the negative electrode;
It is equipped with.

また、本発明のリチウム硫黄電池の製造方法は、
(a)カルボン酸を含む処理液にリチウム系材料を浸漬して該リチウム系材料にカルボン酸リチウム被膜を形成する被膜形成工程と、
(b)硫黄を含む正極活物質を有する正極と、前記カルボン酸リチウム被膜を形成したリチウム系材料を含む負極活物質を有する負極と、前記正極と前記負極との間に介在するイオン伝導媒体とを備えた電池を構成する電池構成工程と、
を含むものである。
In addition, the method for producing a lithium-sulfur battery of the present invention includes
(A) a film forming step of immersing a lithium-based material in a treatment liquid containing a carboxylic acid to form a lithium carboxylate film on the lithium-based material;
(B) a positive electrode having a positive electrode active material containing sulfur, a negative electrode having a negative electrode active material containing a lithium-based material on which the lithium carboxylate film is formed, and an ion conducting medium interposed between the positive electrode and the negative electrode; A battery constituting step of constituting a battery comprising:
Is included.

このリチウム硫黄電池では、充放電効率をより高めることができる。このような効果が得られる理由は定かではないが、負極表面にカルボン酸リチウム被膜が形成されていることで、負極での自己放電や、負極の劣化が抑制されるためと推察される。   In this lithium-sulfur battery, charge / discharge efficiency can be further increased. The reason why such an effect is obtained is not clear, but it is presumed that self-discharge at the negative electrode and deterioration of the negative electrode are suppressed when the lithium carboxylate film is formed on the negative electrode surface.

コイン型電池20の構成の概略を表す断面図Sectional drawing showing the outline of a structure of the coin-type battery 20 評価セル30の説明図。Explanatory drawing of the evaluation cell 30. FIG. 実験例1〜3の負極のIRスペクトル。The IR spectrum of the negative electrode of Experimental Examples 1-3. 浸漬液の酢酸濃度と放電容量及び充放電効率との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the acetic acid density | concentration of immersion liquid, discharge capacity, and charging / discharging efficiency. 充放電回数と充放電容量及び充放電効率との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between charging / discharging frequency | count, charging / discharging capacity | capacitance, and charging / discharging efficiency.

次に本発明を具現化した一実施形態について説明する。本発明のリチウム硫黄電池は、硫黄を含む正極活物質を有する正極と、カルボン酸リチウム被膜が形成されたリチウム系材料を含む負極活物質を有する負極と、正極と負極との間に介在するイオン伝導媒体と、を備えている。   Next, an embodiment embodying the present invention will be described. The lithium-sulfur battery of the present invention includes a positive electrode having a positive electrode active material containing sulfur, a negative electrode having a negative electrode active material containing a lithium-based material on which a lithium carboxylate film is formed, and ions interposed between the positive electrode and the negative electrode A conductive medium.

本発明のリチウム硫黄電池において、正極は、例えば正極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。正極活物質は、硫黄を含むものである。硫黄はどのような形態で含まれていてもよいが、単体硫黄及び金属硫化物の両方又は一方であることが好ましい。なお、本発明において、金属硫化物とは金属多硫化物をも含むものとする。即ち、金属をMeとすると金属硫化物はMexy(x≧0,y≧0)で表すことのできるものとする。 In the lithium-sulfur battery of the present invention, the positive electrode is, for example, a mixture of a positive electrode active material, a conductive material, and a binder, and an appropriate solvent is added to form a paste-like positive electrode material on the surface of the current collector. It may be dried and compressed to increase the electrode density as necessary. The positive electrode active material contains sulfur. Sulfur may be contained in any form, but is preferably either or both of elemental sulfur and metal sulfide. In the present invention, the metal sulfide includes a metal polysulfide. That is, when the metal is Me, the metal sulfide can be expressed by Me x S y (x ≧ 0, y ≧ 0).

本発明のリチウム硫黄電池において、負極は、負極活物質を有している。この負極活物質は、カルボン酸リチウム被膜が形成されたリチウム系材料を含むものである。この負極は、例えば負極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の負極材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよいが、導電材や結着材、集電体を用いなくてもよい。   In the lithium-sulfur battery of the present invention, the negative electrode has a negative electrode active material. This negative electrode active material includes a lithium-based material on which a lithium carboxylate film is formed. For this negative electrode, for example, a negative electrode active material, a conductive material, and a binder are mixed, and an appropriate solvent is added to form a paste-like negative electrode material, which is applied to the surface of the current collector and dried. The electrode may be compressed to increase the electrode density, but it is not necessary to use a conductive material, a binder, or a current collector.

ここで、リチウム系材料とは、リチウムを含む材料をいい、金属リチウムやリチウム合金のほか、リチウム酸化物、リチウム複合酸化物、リチウム硫化物、リチウム複合硫化物などが挙げられる。リチウム合金としては、例えば、アルミニウムやシリコン、スズ、マグネシウム、インジウム、カルシウムなどとリチウムとの合金が挙げられる。このリチウム系材料は、リチウムを主成分とする材料であることが好ましい。ここで、主成分とは、含まれる成分全体のうち原子量比が最も多い成分をいうものとすることができるが、例えば、50at%以上含まれる成分や、70at%以上含まれる成分、90at%以上含まれる成分などを主成分としてもよい。リチウム系材料は、金属リチウムであることが好ましい。金属リチウムを負極として用いると、理論電圧や電気化学当量を高めることが可能であり、高容量化を図ることができると考えられるからである。なお、リチウム系材料は、リチウムを吸蔵放出可能なものであることが好ましい。   Here, the lithium-based material refers to a material containing lithium, and includes lithium oxide, lithium composite oxide, lithium sulfide, lithium composite sulfide, and the like in addition to lithium metal and lithium alloy. Examples of the lithium alloy include alloys of lithium with aluminum, silicon, tin, magnesium, indium, calcium, and the like. This lithium-based material is preferably a material mainly composed of lithium. Here, the main component can be a component having the largest atomic weight ratio among all the components contained, for example, a component contained at 50 at% or more, a component contained at 70 at% or more, 90 at% or more It is good also considering the component contained etc. as a main component. The lithium-based material is preferably metallic lithium. This is because it is considered that the use of metallic lithium as the negative electrode can increase the theoretical voltage and the electrochemical equivalent and can increase the capacity. The lithium-based material is preferably a material that can occlude and release lithium.

リチウム系材料に形成されたカルボン酸リチウム被膜は、リチウム系材料の表面に形成されていることが好ましく、リチウム系材料の表面を覆うように形成されていることが好ましいが、表面の一部が覆われていなくてもよい。例えば、リチウム材料の表面に網状や島状に形成されていもよい。   The lithium carboxylate film formed on the lithium-based material is preferably formed on the surface of the lithium-based material, and preferably formed so as to cover the surface of the lithium-based material. It does not have to be covered. For example, the surface of the lithium material may be formed in a net shape or an island shape.

カルボン酸リチウムは、モノカルボン酸およびジカルボン酸のうちの少なくとも一方のリチウム塩であることが好ましい。なかでも、RCOOLiおよびRx(COOLi)2 、Rx(COOH)(COOLi)のうちの1種以上であることが好ましく、RCOOLiおよび(COOLi)2のうちの少なくとも一方であることがより好ましい。ここで、xは0又は1である。なお、x=0の場合には(COOLi)の炭素同士が結合したシュウ酸リチウムとなる。また、Rは、水素基又は炭化水素基である。ここで、炭化水素基としては、鎖状(直鎖でもよいし分岐鎖を有していてもよい)の炭化水素基や環状の炭化水素基が好ましく、炭素数は1〜20が好ましい。鎖状の炭化水素基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デカニル基、ウンデカニル基、ドデカニル基などの飽和炭化水素基;ビニル基、プロペニル基、ブテニル基、ペンテニル基、ヘプテニル基、オクテニル基、ノネニル基、デセニル基、ウンデセニル基、ドデセニル基などの不飽和炭化水素基などが挙げられる。また、環状の炭化水素基としては、シクロプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘプチル基などの環状飽和炭化水素基;フェニル基、ナフチル基などの芳香族炭化水素基などが挙げられる。これらの炭化水素基はその構造中に置換基、ヘテロ原子を有してもよい。置換基としては、ハロゲン、アルコキシ基、ニトロ基、シアノ基などが挙げられる。炭化水素基は、同じ種類の置換基を複数有していてもよいし、異なる種類の置換基を複数有していてもよい。カルボン酸リチウムは、このうち、ギ酸リチウム(HCOOLi)、酢酸リチウム(CH3COOLi)、シュウ酸リチウム(COOLi)2 、トリフルオロ酢酸リチウム(CF3COOLi)のうちの1種以上であることが好ましい。 The lithium carboxylate is preferably a lithium salt of at least one of a monocarboxylic acid and a dicarboxylic acid. Especially, it is preferable that it is 1 or more types of RCOOLi and Rx (COOLi) 2 , Rx (COOH) (COOLi), and it is more preferable that it is at least one of RCOOLi and (COOLi) 2 . Here, x is 0 or 1. In addition, when x = 0, it becomes lithium oxalate in which carbons of (COOLi) are bonded to each other. R is a hydrogen group or a hydrocarbon group. Here, the hydrocarbon group is preferably a chain-like (which may be linear or branched) or a cyclic hydrocarbon group, and preferably has 1 to 20 carbon atoms. Examples of chain hydrocarbon groups include methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, nonyl, decanyl, undecanyl, and dodecanyl groups. An unsaturated hydrocarbon group such as a vinyl group, a propenyl group, a butenyl group, a pentenyl group, a heptenyl group, an octenyl group, a nonenyl group, a decenyl group, an undecenyl group, and a dodecenyl group; Examples of the cyclic hydrocarbon group include cyclic saturated hydrocarbon groups such as cyclopropyl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, and cycloheptyl group; aromatic hydrocarbon groups such as phenyl group and naphthyl group. These hydrocarbon groups may have a substituent or a hetero atom in the structure. Examples of the substituent include a halogen, an alkoxy group, a nitro group, and a cyano group. The hydrocarbon group may have a plurality of substituents of the same type or may have a plurality of different types of substituents. Of these, the lithium carboxylate is preferably at least one of lithium formate (HCOOLi), lithium acetate (CH 3 COOLi), lithium oxalate (COOLi) 2 , and lithium trifluoroacetate (CF 3 COOLi). .

カルボン酸リチウムは、カルボン酸を含む処理液に上述したリチウム系材料を浸漬することにより形成されたものであることが好ましい。この処理液は、カルボン酸を溶媒に溶解したものとしてもよい。処理液に含まれるカルボン酸は、上述したカルボン酸リチウムを形成できるものであればよく、モノカルボン酸およびジカルボン酸のうちの少なくとも一方であることが好ましい。なかでも、RCOOHおよびRx(COOH)2のうちの少なくとも一方であることが好ましい。ここで、xは0又は1である。また、Rは、上述した水素基又は炭化水素基と同様のものとすることができる。このようなカルボン酸としては、ギ酸(HCOOH)、酢酸(CH3COOH)、シュウ酸(COOH)2 、トリフルオロ酢酸リチウム(CF3COOH)のうちの1種以上が好ましい。この処理液の詳細や、リチウム系材料を処理液に浸漬する際の条件については、後述するリチウム硫黄電池の製造方法の説明で詳述するから、ここでは記載を省略する。なお、リチウム硫黄電池のイオン伝導媒体(電解液)にカルボン酸を添加したものなどを処理液として用いてもよい。 The lithium carboxylate is preferably formed by immersing the above-described lithium-based material in a treatment liquid containing carboxylic acid. This treatment liquid may be obtained by dissolving carboxylic acid in a solvent. The carboxylic acid contained in the treatment liquid is not particularly limited as long as it can form the above-described lithium carboxylate, and is preferably at least one of a monocarboxylic acid and a dicarboxylic acid. Among these, at least one of RCOOH and R x (COOH) 2 is preferable. Here, x is 0 or 1. R may be the same as the hydrogen group or hydrocarbon group described above. As such a carboxylic acid, at least one of formic acid (HCOOH), acetic acid (CH 3 COOH), oxalic acid (COOH) 2 , and lithium trifluoroacetate (CF 3 COOH) is preferable. The details of the treatment liquid and the conditions for immersing the lithium-based material in the treatment liquid will be described in detail in the description of the method for manufacturing a lithium-sulfur battery described later, and thus description thereof is omitted here. In addition, you may use what added carboxylic acid to the ion conduction medium (electrolytic solution) of a lithium sulfur battery as a processing liquid.

カルボン酸リチウムは、上述したカルボン酸を添加剤として電解液に添加し、この電解液とリチウム系材料とを接触させることにより、電池内でリチウム系材料に被膜として形成されたものでもよい(以下では添加する態様とも称する)。また、カルボン酸リチウムは、電池を構成する前にリチウム系材料を処理液に浸漬することで、予めリチウム系材料の表面に被膜として形成されたものでもよい(以下では浸漬する態様とも称する)。このように、添加する態様や浸漬する態様で被膜を形成することで、充放電効率を高めることができる。このうち、浸漬する態様がより好ましい。浸漬する態様とすれば、電池系内にカルボン酸リチウム被膜の形成に必要な添加剤を添加しなくてよく、添加剤による電池反応の阻害などを抑制可能なため、容量をより高めることができると考えられるからである。例えば、被膜の形成に用いられる添加剤が活物質として電池反応に寄与し得る硫黄成分と反応することなどによる硫黄成分の量の減少などを抑制できるため、容量をより高めることができると考えられる。   The lithium carboxylate may be formed as a coating on a lithium-based material in a battery by adding the above-described carboxylic acid as an additive to the electrolyte and bringing the electrolyte into contact with the lithium-based material (hereinafter referred to as a film). Then, it is also referred to as a mode of addition). Further, the lithium carboxylate may be formed in advance as a film on the surface of the lithium-based material by immersing the lithium-based material in the treatment liquid before constituting the battery (hereinafter also referred to as an immersion mode). Thus, charging / discharging efficiency can be improved by forming a film in the aspect added and the aspect immersed. Among these, the aspect to immerse is more preferable. If the immersion mode is adopted, it is not necessary to add an additive necessary for forming a lithium carboxylate film in the battery system, and inhibition of the battery reaction due to the additive can be suppressed, so that the capacity can be further increased. Because it is considered. For example, it is considered that the capacity can be further increased because the additive used for forming the coating can suppress a decrease in the amount of the sulfur component due to the reaction with the sulfur component that can contribute to the battery reaction as an active material. .

本発明のリチウム硫黄電池において、正極及び負極に用いられる導電材は、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などの1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。これらの中で、導電材としては、電子伝導性及び塗工性の観点より、カーボンブラック、ケッチェンブラック及びアセチレンブラックが好ましい。結着材は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレン−プロピレン−ジエンマー(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。活物質、導電材、結着材を分散させる溶剤としては、例えばエタノール、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどの有機溶剤を用いることができる。また、水に分散剤、増粘剤等を加え、SBRなどのラテックスで活物質をスラリー化してもよい。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースなどの多糖類を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。塗布方法としては、例えば、アプリケータロールなどのローラコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレイド方式、スピンコーティング、バーコータなどが挙げられ、これらのいずれかを用いて任意の厚さ・形状とすることができる。集電体としては、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化性向上の目的で、アルミニウムや銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものを用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状については、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。集電体の厚さは、例えば1〜500μmのものが用いられる。   In the lithium-sulfur battery of the present invention, the conductive material used for the positive electrode and the negative electrode is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not adversely affect the battery performance. For example, natural graphite (scale-like graphite, scale-like graphite) Graphite such as artificial graphite, acetylene black, carbon black, ketjen black, carbon whisker, needle coke, carbon fiber, metal (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.), etc. Can be used. Among these, carbon black, ketjen black, and acetylene black are preferable as the conductive material from the viewpoints of electron conductivity and coatability. The binder serves to bind the active material particles and the conductive material particles. For example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine-containing resin such as fluorine rubber, or polypropylene, Thermoplastic resins such as polyethylene, ethylene-propylene-dienemer (EPDM), sulfonated EPDM, natural butyl rubber (NBR) and the like can be used alone or as a mixture of two or more. In addition, an aqueous dispersion of cellulose or styrene butadiene rubber (SBR), which is an aqueous binder, can also be used. Examples of the solvent for dispersing the active material, the conductive material, and the binder include ethanol, N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, and N, N-dimethylamino. Organic solvents such as propylamine, ethylene oxide, and tetrahydrofuran can be used. Moreover, a dispersing agent, a thickener, etc. may be added to water, and an active material may be slurried with latex, such as SBR. As the thickener, for example, polysaccharides such as carboxymethyl cellulose and methyl cellulose can be used alone or as a mixture of two or more. Examples of the application method include roller coating such as applicator roll, screen coating, doctor blade method, spin coating, bar coater, and the like, and any of these can be used to obtain an arbitrary thickness and shape. Current collectors include aluminum, titanium, stainless steel, nickel, iron, calcined carbon, conductive polymer, conductive glass, and aluminum, copper, etc. for the purpose of improving adhesion, conductivity, and oxidation resistance. A surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like can be used. For these, the surface can be oxidized. Examples of the shape of the current collector include foil, film, sheet, net, punched or expanded, lath, porous, foam, and formed fiber group. The thickness of the current collector is, for example, 1 to 500 μm.

本発明のリチウム硫黄電池において、イオン伝導媒体は、溶媒に支持塩を溶解した溶液であってもよい。支持塩としては、通常のリチウム二次電池に用いられるリチウム塩であれば特に限定されるものではなく、例えば、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)、Li(C25SO22N、LiPF6,LiClO4,LiBF4,などの公知の支持塩を用いることができる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。溶媒としては、特に限定されないが、非水系溶媒であることがこのましく、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)及びプロピレンカーボネート(PC)などのカーボネート類、ジメトキシエタン(DME)、トリグライム及びテトラグライムなどのエーテル類、ジオキソラン(DOL)、テトラヒドロフランなどの環状エーテル及び、それらの混合物が好適である。また、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムビス(トリフルオロスルホニル)イミド、1−エチル−3−ブチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートなどのイオン液体を用いることもできる。イオン伝導媒体は、ポリフッ化ビニリデンやポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール、ポリアクリロニトリルなどの高分子類又はアミノ酸誘導体やソルビトール誘導体などの糖類に、支持塩を含む電解液を含ませてゲル化されていてもよい。 In the lithium-sulfur battery of the present invention, the ion conductive medium may be a solution in which a supporting salt is dissolved in a solvent. The supporting salt is not particularly limited as long as it is a lithium salt used in a normal lithium secondary battery. For example, lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI), Li (C 2 F 5 SO 2 ) Known supporting salts such as 2 N, LiPF 6 , LiClO 4 , and LiBF 4 can be used. These may be used alone or in combination. The solvent is not particularly limited, but is preferably a non-aqueous solvent, carbonates such as ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC) and propylene carbonate (PC), dimethoxyethane (DME), triglyme and Ethers such as tetraglyme, cyclic ethers such as dioxolane (DOL) and tetrahydrofuran, and mixtures thereof are preferred. Alternatively, ionic liquids such as 1-methyl-3-propylimidazolium bis (trifluorosulfonyl) imide and 1-ethyl-3-butylimidazolium tetrafluoroborate can be used. The ion conductive medium may be gelled by adding an electrolyte containing a supporting salt to a polymer such as polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, polyethylene glycol, polyacrylonitrile, or a saccharide such as an amino acid derivative or a sorbitol derivative. .

本発明のリチウム硫黄電池は、負極と正極との間にセパレータを備えていてもよい。セパレータとしては、蓄電デバイスの使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の微多孔フィルムや、ポリイミド三次元多孔フィルムなどが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複合して用いてもよい。   The lithium sulfur battery of the present invention may include a separator between the negative electrode and the positive electrode. The separator is not particularly limited as long as it can withstand the range of use of the electricity storage device. For example, a polymer nonwoven fabric such as a polypropylene nonwoven fabric or a polyphenylene sulfide nonwoven fabric, a microporous film of an olefin resin such as polyethylene or polypropylene, And polyimide three-dimensional porous film. These may be used alone or in combination.

本発明のリチウム硫黄電池の形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。   The shape of the lithium-sulfur battery of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, and a square type. Moreover, you may apply to the large sized thing etc. which are used for an electric vehicle etc.

次に、リチウム硫黄電池の製造方法について説明する。この製造方法は、(a)負極に用いるリチウム系材料にカルボン酸リチウム被膜を形成する被膜形成工程と、(b)電池を構成する電池構成工程とを含む。   Next, the manufacturing method of a lithium sulfur battery is demonstrated. This manufacturing method includes (a) a film forming step for forming a lithium carboxylate film on a lithium-based material used for the negative electrode, and (b) a battery constituting step for forming a battery.

(a)被膜形成工程
この工程では、カルボン酸を含む処理液にリチウム系材料を浸漬してリチウム系材料にカルボン酸リチウム被膜を形成する。リチウム系材料としては、上述したリチウム硫黄電池の説明で示したものを適用することができる。
(A) Film formation process In this process, a lithium-based material is immersed in a treatment liquid containing a carboxylic acid to form a lithium carboxylate film on the lithium-based material. As the lithium-based material, those shown in the description of the lithium-sulfur battery described above can be applied.

カルボン酸を含む処理液としては、カルボン酸を溶媒に溶解したものとしてもよい。処理液に含まれるカルボン酸は、上述したカルボン酸リチウムを形成できるものであればよく、モノカルボン酸およびジカルボン酸のうちの少なくとも一方であることが好ましい。なかでも、RCOOHおよびRx(COOH)2のうちの少なくとも一方であることが好ましい。このようなカルボン酸を含む処理液としては、上述したリチウム硫黄電池の説明で示したものを適用することができる。 The treatment liquid containing carboxylic acid may be a solution obtained by dissolving carboxylic acid in a solvent. The carboxylic acid contained in the treatment liquid is not particularly limited as long as it can form the above-described lithium carboxylate, and is preferably at least one of a monocarboxylic acid and a dicarboxylic acid. Among these, at least one of RCOOH and R x (COOH) 2 is preferable. As the treatment liquid containing such a carboxylic acid, those shown in the description of the lithium-sulfur battery described above can be applied.

処理液に含まれる溶媒は、特に限定されないが、非水系溶媒であることが好ましく、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)及びプロピレンカーボネート(PC)などのカーボネート類、ジメトキシエタン(DME)、トリグライム及びテトラグライムなどのエーテル類、ジオキソラン(DOL)、テトラヒドロフランなどの環状エーテル及び、それらの混合物が好適である。また、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムビス(トリフルオロスルホニル)イミド、1−エチル−3−ブチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートなどのイオン液体を用いることもできる。このうち、エーテル類や環状エーテルなどが好ましい。なお、このような溶媒として、リチウム硫黄電池に用いるイオン伝導媒体の溶媒などを用いてもよい。この場合、イオン伝導媒体に含まれる支持塩をも含むものとしてもよいが、支持塩を含まないものが好ましい。副生成物を生じにくいと考えられるからである。   The solvent contained in the treatment liquid is not particularly limited, but is preferably a non-aqueous solvent, carbonates such as ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), and propylene carbonate (PC), dimethoxyethane (DME), Preferred are ethers such as triglyme and tetraglyme, cyclic ethers such as dioxolane (DOL) and tetrahydrofuran, and mixtures thereof. Alternatively, ionic liquids such as 1-methyl-3-propylimidazolium bis (trifluorosulfonyl) imide and 1-ethyl-3-butylimidazolium tetrafluoroborate can be used. Of these, ethers and cyclic ethers are preferred. Note that as such a solvent, a solvent of an ion conductive medium used for a lithium-sulfur battery may be used. In this case, the supporting salt contained in the ion conductive medium may be included, but those not containing the supporting salt are preferable. It is because it is thought that it is hard to produce a by-product.

処理液におけるカルボン酸の濃度は特に限定されないが、0Mより大きく5.0M以下が好ましい。このうち、0.1M以上4M以下が好ましく、0.2M以上3M以下がより好ましく、0.5M以上2.0M以下がさらに好ましい。このような範囲であれば、容量をより高めることができ、また、充放電効率をより高めることができる。また、上述のようにカルボン酸の濃度を規定してもよいが、(COOH)構造1つを1molとして、(COOH)構造の濃度を規定してもよい。この場合、(COOH)構造の濃度が0Mより大きく5.0M以下であることが好ましく、0.1M以上4.0M以下であることがより好ましく、0.2M以上3.0M以下であることがさらに好ましい。なお、Mはmol/Lと同義である。   The concentration of the carboxylic acid in the treatment liquid is not particularly limited, but is preferably greater than 0M and 5.0M or less. Among these, 0.1M or more and 4M or less are preferable, 0.2M or more and 3M or less are more preferable, and 0.5M or more and 2.0M or less are more preferable. If it is such a range, a capacity | capacitance can be raised more and charging / discharging efficiency can be raised more. Further, the concentration of the carboxylic acid may be defined as described above, but the concentration of the (COOH) structure may be defined with one (COOH) structure as 1 mol. In this case, the concentration of the (COOH) structure is preferably greater than 0M and 5.0M or less, more preferably 0.1M or more and 4.0M or less, and 0.2M or more and 3.0M or less. Further preferred. Note that M is synonymous with mol / L.

リチウム系材料を処理液に浸漬する際の条件については、処理液におけるカルボン酸の種類や濃度に応じて経験的に定めることができる。このため、特に限定されるものではないが、浸漬時間は、例えば1分以上が好ましく、10分以上がより好ましく、1時間以上がさらに好ましい。1分以上であれば被膜が形成されると考えられるからである。また、浸漬時間は、120時間以下が好ましく、48時間以下がより好ましく、24時間以下がさらに好ましい。120時間処理すれば、その後の被膜の形成量は微量と考えられるからである。浸漬する際の温度は、処理液が凍結する温度以上揮発する温度以下であればよいが、例えば、5℃以上80℃以下としてもよいし、10℃以上60℃以下としてもよいし、20℃以上30℃以下としてもよい。   The conditions for immersing the lithium-based material in the treatment liquid can be determined empirically depending on the type and concentration of the carboxylic acid in the treatment liquid. For this reason, although it does not specifically limit, For example, 1 minute or more is preferable, 10 minutes or more are more preferable, and 1 hour or more are further more preferable. It is because it is thought that a film will be formed if it is 1 minute or more. The immersion time is preferably 120 hours or less, more preferably 48 hours or less, and even more preferably 24 hours or less. This is because if the treatment is performed for 120 hours, the amount of the subsequent coating film formed is considered to be very small. Although the temperature at the time of immersion should just be below the temperature which volatilizes more than the temperature which a process liquid freezes, it is good also as 5 to 80 degreeC, for example, it is good also as 10 to 60 degreeC, and 20 degreeC. It is good also as 30 degreeC or less above.

(b)電池構成工程
この工程では、正極と、負極と、イオン伝導媒体とを備えた電池を構成する。構成する電池の形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。ここでは、図1に示すコイン型電池を構成する場合について、電池構成工程の一例として説明する。図1はコイン型電池20の構成の概略を表す断面図である。この電池構成工程では、まず、カップ形状の電池ケース21を準備し、この電池ケース21の内部に負極22を配設する。この負極22は、上述した被膜形成工程でカルボン酸リチウム被膜を形成したリチウム系材料を含む負極活物質を有するものである。次に、イオン伝導媒体27を電池ケース21に注入しながら、セパレータ24を負極22に重ねて配置する。注入するイオン伝導媒体27は、正極23と負極22との間に介在する。このイオン伝導媒体は、上述したリチウム硫黄電池のイオン伝導媒体と共通するから、ここでは詳細な説明を省略する。続いて、負極22に対してセパレータ24を介して対向する位置に正極23を配設する。ここで、正極23は、硫黄を含む正極活物質を有するものである。この正極は、上述したリチウム硫黄電池の正極と共通するから、ここでは詳細な説明を省略する。続いて、絶縁材により形成されたガスケット25を配設し、必要に応じてイオン伝導媒体27を追加注入する。最後に、電池ケース21の開口部に封口板26を配置し、電池ケース21の端部をかしめ加工することにより、電池ケース21を密封してコイン型電池20を作成する。なお、上述の方法は電池構成工程の一例であり、電池構成工程は、ここに例示したものに限定されない。
(B) Battery configuration process In this process, a battery including a positive electrode, a negative electrode, and an ion conductive medium is configured. The shape of the battery to be configured is not particularly limited, and examples thereof include a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, and a square type. Moreover, you may apply to the large sized thing etc. which are used for an electric vehicle etc. Here, a case where the coin-type battery shown in FIG. 1 is configured will be described as an example of a battery configuration process. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the coin-type battery 20. In this battery configuration process, first, a cup-shaped battery case 21 is prepared, and a negative electrode 22 is disposed inside the battery case 21. The negative electrode 22 has a negative electrode active material containing a lithium-based material in which a lithium carboxylate film is formed in the above-described film forming process. Next, the separator 24 is placed over the negative electrode 22 while injecting the ion conductive medium 27 into the battery case 21. The ion conductive medium 27 to be injected is interposed between the positive electrode 23 and the negative electrode 22. Since this ion conduction medium is common with the ion conduction medium of the above-described lithium-sulfur battery, detailed description thereof is omitted here. Subsequently, the positive electrode 23 is disposed at a position facing the negative electrode 22 via the separator 24. Here, the positive electrode 23 has a positive electrode active material containing sulfur. Since this positive electrode is in common with the positive electrode of the above-described lithium-sulfur battery, detailed description is omitted here. Subsequently, a gasket 25 formed of an insulating material is provided, and an ion conductive medium 27 is additionally injected as necessary. Finally, the sealing plate 26 is disposed in the opening of the battery case 21, and the end of the battery case 21 is crimped to seal the battery case 21 to produce the coin-type battery 20. In addition, the above-mentioned method is an example of a battery structure process, and a battery structure process is not limited to what was illustrated here.

このような本発明のリチウム硫黄電池の製造方法では、負極表面にカルボン酸リチウム被膜を形成することができる。このため、負極での自己放電や、負極の劣化が抑制することが可能である。また、イオン伝導媒体にカルボン酸を添加しなくても被膜が形成されているため、イオン伝導媒体中に含まれるカルボン酸と硫黄とが反応するなどして硫黄の活性が低下することを抑制できる。このようにして、容量や充放電効率をより高めることのできるリチウム硫黄電池を提供することができる。なお、上述した本発明のリチウム硫黄電池は、この製造方法で製造したものに限定されない。   In such a method for producing a lithium-sulfur battery of the present invention, a lithium carboxylate film can be formed on the negative electrode surface. For this reason, it is possible to suppress self-discharge at the negative electrode and deterioration of the negative electrode. In addition, since the film is formed without adding carboxylic acid to the ion conductive medium, it is possible to suppress the reduction of the activity of sulfur due to the reaction of carboxylic acid and sulfur contained in the ion conductive medium. . In this way, it is possible to provide a lithium-sulfur battery that can further increase capacity and charge / discharge efficiency. Note that the above-described lithium-sulfur battery of the present invention is not limited to those manufactured by this manufacturing method.

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.

以下には、本発明のリチウム硫黄電池を具体的に作製した例を実施例として説明する。   Below, the example which produced the lithium sulfur battery of this invention concretely is demonstrated as an Example.

(1)評価セルの作製
[実験例1]
正極材は以下のように作製した。活物質としての硫黄粉末(高純度化学製、純度99.99%)を50重量%、結着材としてのポリテトラフルオロエチレンを10重量%、導電材としてのカーボン(ECP600JD、ライオン社製)を40重量%配合し、乳鉢で混練後シート状に成形した。このシートを直径12mmの円形状に切り出し、真空加熱乾燥して正極材とした。負極材は以下のように作製した。後述する充放電試験に用いる評価セル1に厚さ0.4mm、直径18mmの円形状に切り出したリチウム箔を固定し、1.0Mのギ酸を含む1,3−ジオキソラン(DOL)溶液中に24時間浸漬し、リチウム箔の表面にギ酸リチウム被膜を形成した。この浸漬処理は、25℃に保持した恒温相内で行った。なお、以下では、カルボン酸を含むDOL溶液を浸漬液とも称する。このようにして得られた、ギ酸リチウム被膜を表面に有するリチウム箔を負極材とした。電解液は以下のように調整した。1,2−ジメトキシエタン(DME)と1,3−ジオキソラン(DOL)とを体積比が9:1となるように混合したDME/DOL溶液に1Mリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)を溶解し、これを電解液とした。このようにして得られた負極材と正極材と電解液と、セパレータとしてのポリエチレン製多孔膜とを用い、アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で図2の評価セルを作成しこれを実験例1とした。ここでは、被膜の形成に用いた評価セルを、被膜を形成した負極材をセットしたまま溶液を捨てて、後述する組み立てに用いた。
(1) Production of evaluation cell [Experimental example 1]
The positive electrode material was produced as follows. 50% by weight of sulfur powder (made by high-purity chemical, purity 99.99%) as an active material, 10% by weight of polytetrafluoroethylene as a binder, and carbon (ECP600JD, manufactured by Lion) as a conductive material 40% by weight was blended, kneaded in a mortar and then formed into a sheet. This sheet was cut into a circular shape having a diameter of 12 mm and dried by heating under vacuum to obtain a positive electrode material. The negative electrode material was produced as follows. A lithium foil cut into a circular shape having a thickness of 0.4 mm and a diameter of 18 mm is fixed to an evaluation cell 1 used in a charge / discharge test described later, and 24 in a 1,3-dioxolane (DOL) solution containing 1.0 M formic acid. It was immersed for a period of time to form a lithium formate film on the surface of the lithium foil. This immersion treatment was performed in a constant temperature phase maintained at 25 ° C. Hereinafter, the DOL solution containing carboxylic acid is also referred to as an immersion liquid. The thus obtained lithium foil having a lithium formate coating on its surface was used as the negative electrode material. The electrolyte was adjusted as follows. 1M lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI) was added to a DME / DOL solution in which 1,2-dimethoxyethane (DME) and 1,3-dioxolane (DOL) were mixed at a volume ratio of 9: 1. This was dissolved and used as an electrolytic solution. Using the negative electrode material, the positive electrode material, the electrolytic solution, and the polyethylene porous membrane as the separator thus obtained, an evaluation cell shown in FIG. 2 was prepared in a glove box under an argon atmosphere. did. Here, the evaluation cell used for the formation of the coating was used for the assembly described later, with the negative electrode material on which the coating was formed being discarded.

図2は評価セル30の説明図であり、図2(a)は評価セル30の組立前の断面図、図2(b)は評価セル30の組立後の断面図である。評価セル30を組み立てるにあたり、まず、外周面にねじ溝が刻まれたステンレス製の円筒基体32の上面中央に設けられたキャビティ34に、負極36と、ポリエチレン製セパレータ38(微多孔性ポリエチレン膜、東燃化学(株)製)と、正極40とを、この順に、100μlの電解液をキャビティ34に注入しながら積層した。さらに、ポリプロピレン製の絶縁リング49を入れ、次いで絶縁性のリング42の穴に液密に固定された導電性の円柱44を正極40の上に配置し、導電性のコップ状の蓋46を円筒基体32にねじ込んだ。さらに、円柱44の上に絶縁用樹脂リング47を配置し、蓋46の上面中央に設けられた開口46aの内周面に刻まれたねじ溝に貫通孔45aを持つ加圧ボルト45をねじ込み、負極36とセパレータ38と固体電解質膜38と正極40とを加圧密着させた。このようにして、評価セル30を作製した。なお、円柱44は、リング42の上面より下に位置し絶縁用樹脂リング47を介して蓋46と接しているため、蓋46と円柱44とは電気的に非接触な状態となっている。また、キャビティ44の周辺にはパッキン48が配置されているため、キャビティ34内に注入された電解液が外部に漏れることはない。この評価セル30では、蓋46と加圧ボルト45と円筒基体32とが負極36と一体化されて全体が負極側となり、円柱44が正極40と一体化されると共に負極36と絶縁されているため正極側となる。このようにして得られた評価セルを実験例1とした。   2A and 2B are explanatory views of the evaluation cell 30, FIG. 2A is a cross-sectional view before the evaluation cell 30 is assembled, and FIG. 2B is a cross-sectional view after the evaluation cell 30 is assembled. In assembling the evaluation cell 30, first, a negative electrode 36 and a polyethylene separator 38 (a microporous polyethylene membrane, a microporous polyethylene film, Tonen Chemical Co., Ltd.) and the positive electrode 40 were laminated in this order while injecting 100 μl of the electrolyte into the cavity 34. Further, an insulating ring 49 made of polypropylene is inserted, and then a conductive column 44 fixed in a liquid-tight manner in the hole of the insulating ring 42 is disposed on the positive electrode 40, and a conductive cup-shaped lid 46 is formed in the cylinder. Screwed into the substrate 32. Further, an insulating resin ring 47 is arranged on the cylinder 44, and a pressure bolt 45 having a through hole 45a is screwed into a screw groove carved in an inner peripheral surface of an opening 46a provided in the center of the upper surface of the lid 46, The negative electrode 36, the separator 38, the solid electrolyte membrane 38, and the positive electrode 40 were pressed and adhered. Thus, the evaluation cell 30 was produced. Since the cylinder 44 is positioned below the upper surface of the ring 42 and is in contact with the lid 46 via the insulating resin ring 47, the lid 46 and the cylinder 44 are in an electrically non-contact state. Further, since the packing 48 is disposed around the cavity 44, the electrolyte injected into the cavity 34 does not leak to the outside. In this evaluation cell 30, the lid 46, the pressure bolt 45, and the cylindrical base body 32 are integrated with the negative electrode 36 so that the whole becomes the negative electrode side, and the column 44 is integrated with the positive electrode 40 and insulated from the negative electrode 36. Therefore, it becomes the positive electrode side. The evaluation cell thus obtained was designated as Experimental Example 1.

[実験例2〜4]
ギ酸にかえて酢酸を含む浸漬液を用いた以外は実験例1と同様の工程を経て評価セルを作製し、これを実験例2とした。また、ギ酸にかえてシュウ酸を含む浸漬液を用いた以外は実験例1と同様の工程を経て評価セルを作製し、これを実験例2とした。また、ギ酸にかえてトリフルオロ酢酸を含む浸漬液を用いた以外は実験例1と同様の工程を経て評価セルを作製し、これを実験例4とした。
[Experimental Examples 2 to 4]
An evaluation cell was prepared through the same steps as in Experimental Example 1 except that an immersion liquid containing acetic acid was used instead of formic acid, and this was designated as Experimental Example 2. Further, an evaluation cell was produced through the same steps as in Experimental Example 1 except that an immersion liquid containing oxalic acid was used instead of formic acid, and this was designated as Experimental Example 2. In addition, an evaluation cell was produced through the same steps as in Experimental Example 1 except that an immersion liquid containing trifluoroacetic acid was used instead of formic acid.

[実験例5〜8]
浸漬液の酢酸濃度を0.2Mとした以外は実験例2と同様の工程を経て評価セルを作製し、これを実験例5とした。また、浸漬液の酢酸濃度を0.4Mとした以外は実験例2と同様の工程を経て評価セルを作製し、これを実験例6とした。また、浸漬液の酢酸濃度を2.0Mとした以外は実験例2と同様の工程を経て評価セルを作製し、これを実験例7とした。また、浸漬液の酢酸濃度を5.0Mとした以外は実験例2と同様の工程を経て評価セルを作製し、これを実験例8とした。
[Experimental Examples 5 to 8]
An evaluation cell was prepared through the same steps as in Experimental Example 2 except that the acetic acid concentration of the immersion liquid was 0.2 M, and this was designated as Experimental Example 5. In addition, an evaluation cell was prepared through the same steps as in Experimental Example 2 except that the acetic acid concentration of the immersion liquid was 0.4 M, and this was designated as Experimental Example 6. An evaluation cell was prepared through the same steps as in Experimental Example 2 except that the concentration of acetic acid in the immersion liquid was 2.0 M, and this was designated as Experimental Example 7. An evaluation cell was prepared through the same steps as in Experimental Example 2 except that the concentration of acetic acid in the immersion liquid was 5.0 M, and this was designated as Experimental Example 8.

[実験例9〜12]
負極材であるリチウム箔の表面に予め被膜を形成しておかなかったこと、および、電解液の調整に際し0.5Mのギ酸を添加剤として添加したこと以外は、実験例1と同様の工程を経て評価セルを作製し、これを実験例9とした。ギ酸にかえて酢酸を用いて電解液を調整した以外は実験例9と同様の工程を経て評価セルを作製し、これを実験例10とした。また、ギ酸にかえてシュウ酸を用いて電解液を調整した以外は実験例9と同様の工程を経て評価セルを作製し、これを実験例11とした。また、ギ酸にかえてトリフルオロ酢酸を用いて電解液を調整した以外は実験例9と同様の工程を経て評価セルを作製し、これを実験例12とした。
[Experimental Examples 9 to 12]
The same steps as in Experimental Example 1 were performed except that a film was not formed in advance on the surface of the lithium foil as the negative electrode material, and that 0.5 M formic acid was added as an additive during the preparation of the electrolytic solution. Then, an evaluation cell was produced, and this was designated as Experimental Example 9. An evaluation cell was prepared through the same steps as in Experimental Example 9 except that the electrolytic solution was adjusted using acetic acid instead of formic acid. Further, an evaluation cell was prepared through the same steps as in Experimental Example 9 except that the electrolyte was adjusted using oxalic acid instead of formic acid, and this was designated as Experimental Example 11. In addition, an evaluation cell was prepared through the same steps as in Experimental Example 9 except that the electrolytic solution was adjusted using trifluoroacetic acid instead of formic acid.

[比較例1]
負極材であるリチウム箔の表面に被膜を形成しなかったこと以外は、実験例1と同様の工程を経て評価セルを作製し、これを比較例1とした。
[Comparative Example 1]
An evaluation cell was produced through the same steps as in Experimental Example 1 except that no film was formed on the surface of the lithium foil as the negative electrode material, and this was designated as Comparative Example 1.

(2)IR測定
被膜を形成した実験例1〜3の負極材について、IRスペクトルを測定した。測定装置はニコレー社製AVATAR360型フーリエ変換赤外分光計を用いた。また、波数分解能は1.929cm-1、積算回数は32回とし、測定方法は反射法を採用した。図3は、実験例1〜3の負極材のIRスペクトルである。これらより、実験例1の負極材の表面にはギ酸リチウムが、実験例2の負極材の表面には酢酸リチウムが、実験例3の負極材の表面にはシュウ酸リチウムが形成されていることが分かった。なお、被膜成分の同定には、独立行政法人産業技術総合研究所の提供する有機化合物のスペクトルデータベース(SDBS)を用いた。
(2) IR measurement The IR spectrum was measured about the negative electrode material of Experimental Examples 1-3 which formed the film. The measuring apparatus used was an AVATAR360 Fourier transform infrared spectrometer manufactured by Nicorey. The wave number resolution was 1.929 cm −1 , the number of integrations was 32 times, and the reflection method was used as the measurement method. FIG. 3 is an IR spectrum of the negative electrode materials of Experimental Examples 1 to 3. Thus, lithium formate is formed on the surface of the negative electrode material of Experimental Example 1, lithium acetate is formed on the surface of the negative electrode material of Experimental Example 2, and lithium oxalate is formed on the surface of the negative electrode material of Experimental Example 3. I understood. For identification of the coating components, an organic compound spectrum database (SDBS) provided by the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology was used.

(3)電気化学特性の評価
上述のようにして得られた実験例1〜12および比較例1の評価セルを用いて、電気化学特性の評価を行った。電気化学特性の評価では、負極材単位重量あたりの容量(mAh/g)および充放電効率(%)について検討した。まず、評価セルを25℃に保持した恒温層内に設置して2.8Vから1.5Vまでの領域で0.5mAの定電流放電を行い、その後定電流充電を行った。この放電と充電を1サイクルとして50サイクル繰り返した。そして、このときの放電容量および充電容量を測定した。以下では、nサイクル目の充電容量をCn(mAh/g)、nサイクル目の放電容量をDn(mAh/g)とする。表1には、実験例1〜8および実験例9〜12の放電容量D1(mAh/g)および、充放電効率(%)=(D2/C1)×100を示した。
(3) Evaluation of electrochemical characteristics Using the evaluation cells of Experimental Examples 1 to 12 and Comparative Example 1 obtained as described above, electrochemical characteristics were evaluated. In the evaluation of the electrochemical characteristics, the capacity per unit weight of the negative electrode material (mAh / g) and the charge / discharge efficiency (%) were examined. First, the evaluation cell was installed in a constant temperature layer maintained at 25 ° C., and a constant current discharge of 0.5 mA was performed in a region from 2.8 V to 1.5 V, and then a constant current charge was performed. This discharge and charge were repeated as 50 cycles for 50 cycles. And the discharge capacity and charge capacity at this time were measured. Hereinafter, the charge capacity at the nth cycle is C n (mAh / g), and the discharge capacity at the nth cycle is D n (mAh / g). Table 1 shows the discharge capacity D 1 (mAh / g) and charge / discharge efficiency (%) = (D 2 / C 1 ) × 100 of Experimental Examples 1 to 8 and Experimental Examples 9 to 12.

Figure 2012142101
Figure 2012142101

(4)考察
表1より、浸漬する態様で予め表面に被膜を形成した実験例1〜7のものや、添加する態様で電解液に添加剤としてカルボン酸を添加して負極表面に被膜を形成する実験例9〜12のものでは、これをしない比較例1のものと比較して充放電効率が高いことが分かった。このような効果が得られた理由は、リチウム表面に被膜が形成されることにより、シャトル効果を抑制することができたためと推察された。また、浸漬する態様の実験例1〜8のものでは、添加する態様の実験例9〜12のものより放電容量が高いことが分かった。このような効果が得られた理由は、電解液中に拡散したポリスルフィドなどが添加剤として含まれるカルボン酸と反応するなどして消費されることを抑制できたためと推察された。以上のことから、浸漬する態様が、放電容量を高め、充放電効率を高める観点から好ましいことが分かった。なお、ここでは、金属リチウム表面に被膜を形成したが、リチウムを含むものであれば、同様の効果が得られるものと推察された。
(4) Consideration From Table 1, in Examples 1 to 7 in which a film was previously formed on the surface in a dipping mode, or in a mode to be added, a carboxylic acid was added as an additive to the electrolyte solution to form a film on the negative electrode surface. It was found that the charging / discharging efficiency of the experimental examples 9 to 12 is higher than that of the comparative example 1 that does not. The reason why such an effect was obtained was presumed that the shuttle effect could be suppressed by forming a film on the lithium surface. Moreover, it turned out that the thing of Experimental Examples 1-8 of the aspect to immerse has a higher discharge capacity than the thing of Experimental Examples 9-12 of the aspect to add. It was speculated that the reason why such an effect was obtained was that the polysulfide diffused in the electrolytic solution could be prevented from being consumed by reacting with the carboxylic acid contained as an additive. From the above, it was found that the immersion mode is preferable from the viewpoint of increasing the discharge capacity and increasing the charge / discharge efficiency. In addition, although the film was formed on the metal lithium surface here, it was guessed that the same effect will be acquired if it contains lithium.

また、表1より、放電容量は、浸漬液に酢酸を含む実験例2が最も高く、シュウ酸を含む実験例3が次に高く、トリフルオロ酢酸を含む実験例4がその次に高く、ギ酸を含む実験例1がその次に高いことが分かった。このことから、放電容量を高める観点からは浸漬液は酢酸を含むものであることが特に好ましいことが分かった。また、酢酸は、添加する態様のものより、浸漬する態様のもののほうが放電容量が特に高くなっており、浸漬する態様を採用する意義が特に高いことが分かった。充放電効率の観点では、浸漬液にシュウ酸を含む実験例3が最も充放電効率が高いことから、浸漬液はシュウ酸を含むものであることが好ましいことが分かった。   Further, from Table 1, the discharge capacity is highest in Experimental Example 2 containing acetic acid in the immersion liquid, followed by Experimental Example 3 containing oxalic acid, followed by Experimental Example 4 containing trifluoroacetic acid, and formic acid. It was found that Experimental Example 1 including From this, it was found that it is particularly preferable that the immersion liquid contains acetic acid from the viewpoint of increasing the discharge capacity. Further, it was found that acetic acid has a particularly high discharge capacity in the immersion mode than in the addition mode, and the significance of adopting the immersion mode is particularly high. From the viewpoint of charge / discharge efficiency, it has been found that since the experimental example 3 including oxalic acid in the immersion liquid has the highest charge / discharge efficiency, the immersion liquid preferably includes oxalic acid.

図4は、被膜を形成するときの溶液中の酢酸の濃度と放電容量及び充放電効率との関係を示すグラフである。図4には、これらの近似曲線も示した。図4より、酢酸リチウム被膜を形成する際には、溶液中の酢酸の濃度は、0Mより大きく5.0M以下であることが好ましく、0.1M以上4.0M以下であることがより好ましく、0.2M以上3.0M以下であることがさらに好ましいことが分かった。また、ギ酸やシュウ酸、トリフルオロ酢酸など、酢酸以外を用いる場合であっても、好適な濃度範囲があるものと推察された。具体的には、(COOH)構造の1つを1molとして、(COOH)構造の濃度が0Mより大きく5.0M以下であることが好ましく、0.1M以上4.0M以下であることがより好ましく、0.2M以上3.0M以下であることがさらに好ましいと推察された。   FIG. 4 is a graph showing the relationship between the concentration of acetic acid in the solution, the discharge capacity, and the charge / discharge efficiency when the coating is formed. FIG. 4 also shows these approximate curves. From FIG. 4, when forming the lithium acetate film, the concentration of acetic acid in the solution is preferably more than 0M and 5.0M or less, more preferably 0.1M or more and 4.0M or less, It turned out that it is more preferable that they are 0.2M or more and 3.0M or less. Further, it was speculated that there was a suitable concentration range even when other than acetic acid such as formic acid, oxalic acid, and trifluoroacetic acid was used. Specifically, assuming that one (COOH) structure is 1 mol, the concentration of the (COOH) structure is preferably greater than 0M and 5.0M or less, more preferably 0.1M or more and 4.0M or less. It was estimated that 0.2M or more and 3.0M or less was more preferable.

図5は、実験例1〜3、9〜11及び比較例1の充放電回数と充放電容量及び充放電効率との関係を示すグラフである。このグラフより、添加する態様や浸漬する態様によりカルボン酸リチウム被膜が形成されたものでは、いずれも充放電効率が高いことが分かった。また、添加する態様のものでは、全体的に容量が低いものの、容量の劣化が少ないことが分かった。これに対して、浸漬する態様のものでは、充放電を繰り返すことにより容量が劣化することがあるものの、全体的に容量が高く初期の容量を特に高めることができ、好ましいことが分かった。   FIG. 5 is a graph showing the relationship between the charge / discharge frequency, charge / discharge capacity, and charge / discharge efficiency of Experimental Examples 1 to 3, 9 to 11, and Comparative Example 1. From this graph, it was found that the lithium carboxylate film formed according to the mode of addition or the mode of immersion was high in charge / discharge efficiency. Moreover, although the capacity | capacitance was low in the thing of the aspect added, it turned out that there is little deterioration of a capacity | capacitance. On the other hand, although the capacity | capacitance may deteriorate by repeating charging / discharging by the thing of the aspect to immerse, it turned out that a capacity | capacitance is high overall and an initial stage capacity | capacitance can be raised especially and it is preferable.

20 コイン型電池、21 電池ケース、22 負極、23 正極、24 セパレータ、25 ガスケット、26 封口板、27 イオン伝導媒体、30 評価セル、32 円筒基体、34 キャビティ、36 負極、38 セパレータ、40 正極、42 リング、44 円柱、45 加圧ボルト、45a 貫通孔、46 蓋、46a 開口、47 絶縁用樹脂リング、48 パッキン、49 絶縁リング。   20 coin-type battery, 21 battery case, 22 negative electrode, 23 positive electrode, 24 separator, 25 gasket, 26 sealing plate, 27 ion conduction medium, 30 evaluation cell, 32 cylindrical substrate, 34 cavity, 36 negative electrode, 38 separator, 40 positive electrode, 42 ring, 44 cylinder, 45 pressure bolt, 45a through hole, 46 lid, 46a opening, 47 resin ring for insulation, 48 packing, 49 insulation ring.

Claims (6)

硫黄を含む正極活物質を有する正極と、
カルボン酸リチウム被膜が形成されたリチウム系材料を含む負極活物質を有する負極と、
前記正極と前記負極との間に介在するイオン伝導媒体と、
を備えたリチウム硫黄電池。
A positive electrode having a positive electrode active material containing sulfur;
A negative electrode having a negative electrode active material including a lithium-based material on which a lithium carboxylate film is formed;
An ion conductive medium interposed between the positive electrode and the negative electrode;
Lithium sulfur battery equipped with.
前記カルボン酸リチウムは、酢酸リチウム、シュウ酸リチウム、トリフルオロ酢酸リチウム、ギ酸リチウムのうちの1以上である、請求項1に記載のリチウム硫黄電池。   The lithium sulfur battery according to claim 1, wherein the lithium carboxylate is one or more of lithium acetate, lithium oxalate, lithium trifluoroacetate, and lithium formate. 前記カルボン酸リチウム被膜が形成されたリチウム系材料は、カルボン酸を含む処理液に前記リチウム系材料を浸漬して、該リチウム系材料にカルボン酸リチウム被膜を予め形成したものである、請求項1又は2に記載のリチウム硫黄電池。   The lithium-based material on which the lithium carboxylate film is formed is obtained by immersing the lithium-based material in a treatment liquid containing a carboxylic acid and previously forming a lithium carboxylate film on the lithium-based material. Or the lithium sulfur battery of 2. (a)カルボン酸を含む処理液にリチウム系材料を浸漬して該リチウム系材料にカルボン酸リチウム被膜を形成する被膜形成工程と、
(b)硫黄を含む正極活物質を有する正極と、前記カルボン酸リチウム被膜を形成したリチウム系材料を含む負極活物質を有する負極と、前記正極と前記負極との間に介在するイオン伝導媒体とを備えた電池を構成する電池構成工程と、
を含むリチウム硫黄電池の製造方法。
(A) a film forming step of immersing a lithium-based material in a treatment liquid containing a carboxylic acid to form a lithium carboxylate film on the lithium-based material;
(B) a positive electrode having a positive electrode active material containing sulfur, a negative electrode having a negative electrode active material containing a lithium-based material on which the lithium carboxylate film is formed, and an ion conducting medium interposed between the positive electrode and the negative electrode; A battery constituting step of constituting a battery comprising:
A method for producing a lithium sulfur battery comprising:
前記カルボン酸を含む処理液は、カルボン酸の濃度が5.0M以下である、請求項4に記載のリチウム硫黄電池の製造方法。   The method for producing a lithium-sulfur battery according to claim 4, wherein the treatment liquid containing the carboxylic acid has a carboxylic acid concentration of 5.0 M or less. 前記カルボン酸を含む処理液は、前記カルボン酸として、ギ酸、酢酸、シュウ酸、トリフルオロ酢酸のうち1以上を含む、請求項4又は5に記載のリチウム硫黄電池の製造方法。   The method for producing a lithium-sulfur battery according to claim 4 or 5, wherein the treatment liquid containing the carboxylic acid contains at least one of formic acid, acetic acid, oxalic acid, and trifluoroacetic acid as the carboxylic acid.
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